Почему мы не слетали на Луну?

Большой объем работ был выполнен в плане исследования аэрогазодинамики носителя Н1 и лунного комплекса Н1-Л3 в целом. В НИИ-88 было проведено более 3 500 аэродинамических продувок различных конструкций. Значительное количество продувок было выполнено также в аэродинамических трубах ЦАГИ и НИИТП с целью дублирования наиболее ответственных исходных данных или использования положительных индивидуальных особенностей аэродинамических установок указанных организаций. Основа аэродинамического обеспечения работ — методическое руководство — оставалась за НИИ-88. Это определялось головной ролью института и, следовательно, официальной ответственностью за их результаты, наличием хороших гиперзвуковых газодинамических установок и квалифицированных специалистов, сформировавшихся в ходе исследований по ракетной тематике.

Перед НИИ-88 встали серьезные задачи отработки аэродинамики кормовой части носителя Н1, обусловленные наличием развитой донной площади его первой ступени с большим количеством мощных двигателей, необходимостью отвода больших масс горячих газов при “горячем” разделении ступеней и обеспечения допустимых нагрузок на конструкцию. В первую очередь нужно было ответить на вопрос, какую выбрать кормовую часть первой ступени носителя: открытую или закрытую. Проведенные исследования позволили обосновать выбор закрытой кормовой части с размещением в ней большого количества двигателей. Большой объем исследований был выполнен по оптимизации кормовой части с точки зрения уменьшения суммарного донного сопротивления (А. Ф. Кулябин). Рассмотрены варианты различного расположения двигателей (лучевого и кольцевого) — с разрывами в периферийном размещении сопел, с различными экранами в кормовой части, с центральным телом и т.д. Были определены и величины донного давления ступеней, а также даны предложения по его повышению. В процессе исследований были выявлены принципиально важные особенности обтекания кормовой части носителя с многодвигательной установкой, в частности, наличие вихревого движения газа за дном в межсопловом кольце. По результатам предварительных исследований ожидались сложные газодинамические процессы в ходе функционирования многодвигательной установки и при взаимодействии ее со стартовым сооружением. Поэтому НИИ-88 обратился в 1962 году лично к С.П. Королеву с просьбой поддержать институт в создании к 1964 году специального стенда для исследований на крупных моделях газодинамических процессов, возникающих в кормовой части носителя Н1. Стоимость такого стенда оценивалась тогда в 500 тыс. рублей. Однако получили удивительный по своему содержанию ответ за подписью В.П. Мишина, в котором говорилось, что установку создавать нецелесообразно по следующим причинам: слишком дорого и не успеем к началу летных испытаний носителя Н1. В ОКБ-1 отработку аэродинамики носителя Н1 будут проводить во время его летно-конструкторских испытаний, поэтому просьба к НИИ-88 — подготовить методику определения аэродинамических характеристик изделия по результатам ЛКИ.

Я привожу содержание этого письма, чтобы показать, какие трудности оно породило впоследствии и в каких сложных условиях приходилось работать институту. Установку не создали, а ведь она успела бы дать ценные результаты еще задолго до начала ЛКИ. Зато сколько дополнительного времени пришлось затратить конструкторам на борьбу с дискретными колебаниями давлений в кормовой части носителя, на упрочнение донной защиты; сколько лишних вопросов пришлось решать специалистам института, определяя с использованием элементарных малых моделей амплитуды и частоты этих дискретных колебаний, их зависимость от относительного положения стартового сооружения и кормы носителя Н1, разрабатывая предложения по их ослаблению. А в результате — только резкие претензии к институту, строгий выговор моему заместителю по аэродинамике Ю. А. Демьянову и выговор мне за неэффективность наших стараний, “за слабое методическое руководство” смежниками (ЦАГИ, НИИТП, ЦКБЭМ), занимающимися газодинамическими исследованиями в обеспечение создания носителя Н1. Об этом случае я расскажу ниже.

Большую сложность представляло также изучение струйных течений в момент “горячего” разделения ступеней. В институте велись исследования газодинамики разделения ступеней всех разрабатываемых в отрасли ракет с применением холодных и горячих струй. При отработке газодинамики этого процесса был обнаружен и исследован ряд физических явлений, которые являлись источниками повышенных силовых, тепловых и нестационарных газодинамических нагрузок на элементы конструкции ракеты:

• образование низкоэнтропийных струек многосопловой двигательной установки, которые при натекании на отражатель создают локальные зоны давления, в несколько раз превышающего давление торможения газа за прямым скачком уплотнения (что может привести к прогару и разрушению отражателя);

• возникновение отрывов струи на внутренней поверхности сопла маршевой двигательной установки и рулевых двигателей, приводящее к появлению пульсаций давления и увеличению силовых и тепловых нагрузок на изделие, и другие явления.

Поэтому было изучено течение в межступенном отсеке при “горячем” разделении ступеней с одно-, четырех— и восьмисопловой двигательными установками, отрыв потока в соплах при взаимодействии струй с преградой (отражателем отбрасываемой ступени), влияние соединительных ферм ступеней на величину нагрузок на отражатель отбрасываемой ступени и распределение давления по донной и боковой поверхности активной ступени. Все это позволило выявить основные факторы, определяющие величины газодинамических нагрузок — возмущений, действующих на ступени ракет при разделении, определить оптимальные газодинамические параметры межступенных отсеков с одно— и многосопловой двигательными установками и широко использовать полученные результаты при разработке новых сложных изделий. Результаты летных испытаний подтвердили правильность принятых решений.

Относительно условий старта Н1 в ходе лабораторных экспериментальных исследований был выявлен нового вида автоколебательный процесс с кольцевой компоновкой струй, приводящий к мощным дискретным колебаниям в струе двигательной установки носителя Н1 (состоящей из 30 двигателей с тягой по 150 тс) при взаимодействии ее с тюбинговым кольцом стартового сооружения. Это стало серьезной проблемой для разработчика. Ему необходимо было точно знать амплитуду дискретных колебаний, их частоту и время действия. По данным НИИ-88, полученным с использованием малых моделей (масштаб 1:72 и 1:10), нагрузки от этих колебаний на днище первой ступени носителя, оказавшиеся более чем значительными, определялись недостаточно надежно. После многих экспериментов, сопоставления данных, их анализа и пересчета на натуру главному конструктору В.П. Мишину институтом ответственно были выданы такие серьезные цифры: амплитуда колебаний дискретной составляющей — 165 дБ (плюс — минус 2 дБ), частота -18 Гц, время их появления соответствует подъему носителя в диапазоне от 7,5 до 13.5 м над стартовым сооружением. При этом очень важно знать точно значение амплитуды колебаний. Если при 165 дБ переменные усилия, приходящиеся на донную защиту первой ступени от дискретных колебаний, достигали 72 тс, то лишние 3 дБ давали дополнительное увеличение переменной нагрузки на 33 тс.

Несовершенство средств, используемых в ходе экспериментов даже на одних и тех же установках НИИХМ и НИИТП, обуславливало большой разброс получаемых результатов. Поэтому весьма естественно, что выдача НИИ-88 исходных данных о дискретных колебаниях для расчета прочности днища носителя Н1 и его динамической прочности в целом служила предметом самой широкой научной дискуссии между нашим институтом — с одной стороны, и ЦКБЭМ и НИИТП — с другой.

За достоверность исходных данных отвечал только НИИ-88, поэтому мы были предельно ответственны. ЦКБЭМ хотелось бы иметь эти нагрузки меньшими, так как для выбранной конструкции они оказывались критическими. НИИТП, не отвечавший за нагрузки, выступал в защиту интересов разработчика, опираясь на свои результаты измерений, соответствующие меньшим значениям амплитуд. Конечно, наличие трех различных мнений способствовало выяснению истины и принятию правильного решения, но не могло не оставить след на характере взаимоотношений между партнерами.